Particelle atomiche (pdf) - Liceo Scientifico Statale G. Oberdan

LE PARTICELLE SUBATOMICHE
Fenomeno dell'elettrizzazione
Strofinando con un panno di lana una bacchetta di plastica oppure una bacchetta di vetro si può osservare che,
entrambe sono capaci di attirare verso di loro: pezzetti di carta, piume, palline di sambuco.
Approfondendo l'osservazione si può notare che:
1) la capacità di attrazione si manifesta dopo lo strofinio; prima dello strofinio plastica e vetro risultano indifferenti;
2) due oggetti toccati una prima volta cercano di sfuggire ad un secondo contatto con la stessa bacchetta ed anche tra
loro;
3) due oggetti toccati rispettivamente uno dalla bacchetta di plastica e l'altro da quella di vetro, tendono ad attrarsi;
avvenuto il contatto la tendenza all'attrazione scompare.
Una prima teoria, capace di interpretare i fenomeni osservati, fu proposta da Benjamin Franklin nel 1747. Secondo
Franklin in ogni corpo materiale esiste un misterioso fluido da lui chiamato fluido elettrico; quando due corpi vengono
sottoposti a reciproco strofinio, essi possono cedere o acquistare questo fluido e di conseguenza diventarne più ricchi
(fluido elettrico in eccesso) o più poveri (fluido elettrico in difetto). I corpi con fluido elettrico in eccesso o in difetto si
dicono elettrizzati, i corpi con fluido elettrico in equilibrio si dicono corpi neutri.
Dopo aver stabilito, arbitrariamente di chiamare positivo il flusso in eccesso e negativo il fluido in difetto, le varie
attrazioni o repulsioni vennero così interpretate:
1) corpi elettrizzati con lo stesso segno (+ o -) si respingono;
2) corpi elettrizzati con segni contrari si attraggono perché ciascuno di essi tende a ristabilire la neutralità perduta.
La teoria di Franklin fu la sola capace di interpretare i fenomeni dell'elettrizzazione per oltre un secolo; ad essa va il
merito di aver intuito nella materia la presenza di qualcosa di disquilibrabile.
La scoperta della corrente elettrica
Nel 1800 Alessandro Volta costruì un dispositivo (pila) capace di produrre il fluido elettrico, detto per semplicità
corrente elettrica.
Nel periodo 1800-1830 Faraday, immergendo i poli (positivo e negativo) di una pila dentro sostanze fuse o disciolte in
acqua, studiò gli effetti prodotti dalla corrente elettrica a contatto con tali sostanze.Tra i molti fenomeni osservati, uno,
tra i più sorprendenti, fu quello di scoprire che la corrente elettrica in alcuni casi riusciva a passare attraverso le
sostanze fuse o disciolte in acqua, in altri casi non vi riusciva.
Faraday interpretò tale fenomeno sostenendo che:
1) la corrente elettrica scomponeva le molecole di alcune sostanze in particelle cariche di elettricità positiva e in
particelle cariche di elettricità negativa;
2) queste particelle migravano, ossia erano capaci di muoversi, verso i poli della pila.
Faraday chiamò queste particelle ioni, e dopo aver denominato rispettivamente catodo il polo negativo e anodo il polo
positivo della pila, diede il nome di anioni agli ioni carichi di elettricità negativa e di cationi a quelli carichi di
elettricità positiva; infine chiamò elettroliti quelle sostanze che venivano decomposte in ioni dalla corrente elettrica.
Accettando le idee di Faraday, il passaggio della corrente elettrica attraverso le sostanze fuse o disciolte in acqua era
così interpretato:
1) i cationi toccando il catodo prendono da esso cariche negative;
2) gli anioni toccando l'anodo cedono ad esso le loro cariche negative
3) il continuo prendere e dare cariche elettriche ai rispettivi poli fa sembrare che la corrente elettrica passi attraverso le
sostanze in questione.
4) il non passaggio della corrente elettrica indica che la sostanza non è decomposta in ioni, cioè non sono presenti né
cationi né anioni.
Gli studi che seguirono convalidarono quasi tutte le idee di Faraday; in realtà non è la corrente elettrica che
decompone in ioni le molecole ma gli ioni si formano in seguito ad altri processi. A parte questo errore
l'interpretazione di Faraday circa il passaggio della corrente in soluzioni acquose è tuttora valida.
La scoperta dell'elettrone
Disponendo di una serie di tubi di vetro ripieni di gas e diminuendo progressivamente la quantità di gas contenuta
all'interno, si nota quanto segue:
1) dopo aver collegato i poli (+ e -) di una sorgente di elettricità con le due placchette si assiste allo scoccare di una
scarica elettrica;
2) nei tubi contenenti gas rarefatto, la scarica perde di energia e la luce si diffonde a tutto il tubo;
3) procedendo nella rarefazione, si nota che la luce scompare, ma le pareti interne del tubo diventano fluorescenti,
ossia luminose.
Goldstein (1876) suppose che la luminosità osservata fosse provocata dall'impatto sulla parete vetrosa di uno sciame di
radiazioni provenienti dal catodo; pertanto chiamò queste radiazioni raggi catodici.Crookes (1879) con speciali tubi di

vetro da lui ideati e contenenti gas a bassissima pressione, eseguì altre esperienze che caratterizzarono le proprietà dei
raggi catodici.
Esperienze sui tubi di Crookes
1) Interponendo tra il catodo e l'anodo di un tubo di Crookes un ostacolo metallico (ad esempio una croce di Malta), si
nota la sua ombra sulla parete di vetro opposta al catodo.
2) Ponendo sotto il tubo un magnete si nota che lo sciame luminoso subisce una flessione giacché viene attratto dal
polo positivo del magnete e respinto da quello negativo.
3) Interponendo sempre tra catodo e anodo una piccola ruota a pale mobili, si nota che quest'ultima si muove come
sospinta da un vento, e precisamente va verso l'anodo.
Dalle esperienze eseguite si poterono trarre le seguenti conclusioni:
- I raggi catodici erano costituiti da piccolissime particelle viaggianti in linea retta (i corpi interposti davano ombra);
- tali particelle erano dotate di una certa massa (erano capaci di far muovere una piccola ruota a pale);
-avevano una carica elettrica negativa (erano attratte dal polo positivo del magnete);
- non dipendevano né dal particolare tipo di metallo costituente il catodo, né dal tipo di gas contenuto nei vari tubi
(variando i gas contenuti nei tubi, i raggi catodici mostravano sempre le stesse proprietà).
Sulla natura dei raggi catodici si discusse per più di un decennio; Crookes sosteneva che erano costituiti da molecole
di gas cariche negativamente e quindi respinte dal catodo; Hertz constatando che questi raggi potevano attraversare
delle lamine metalliche molto sottili, sosteneva che essi non potevano essere molecole perché, avendo una discreta
massa, erano impossibilitate ad attraversare un corpo. La soluzione fu trovata da Thomson che riuscì a determinare il
rapporto carica/massa di queste particelle che risultò essere pari a 1,759 * 108 coulomb/grammi
Considerando che queste particelle :
1) potevano provenire o dagli atomi costituenti il catodo o dalle molecole gassose contenute nel tubo;
2) non dipendevano dal particolare tipo di catodo o tipo di gas impiegato;
3) possedevano tutte lo stesso tipo di rapporto carica/massa;
si poté concludere che esse erano tutte uguali tra loro e dovevano essere presenti in tutti gli atomi. A queste particelle
venne dato il nome di elettroni. Nel 1906 Millikan determinò il valore della carica elettrica posseduta da un elettrone
che risultò essere pari a 1,602 * 10-19 coulomb.
Conosciuta così la carica elettrica e conoscendo il rapporto carica/massa fu possibile calcolare anche il valore della
massa dell'elettrone: 9,11*10 -28 g.
La scoperta degli ioni positivi
Nel 1886 Goldstein usando un tubo di scarica con il catodo forato, mise in evidenza che anche dall'anodo partivano
delle radiazioni, da lui chiamati raggi canali.
Nel ventennio successivo Wien e Thomson studiando il comportamento di questi raggi, ne determinarono la natura, la
carica e il rapporto carica/massa; i risultati più salienti furono questi:
1) anche i raggi canali sono costituiti da particelle; tali particelle hanno una carica elettrica positiva
2) le particelle hanno una massa molto più grande della carica elettrica posseduta.
3) a queste particelle venne dato il nome di ioni positivi.
Circa la natura e l'origine di questi ioni positivi altre esperienze dimostrarono che gli ioni positivi sono costituiti da
atomi o molecole che dietro l'impatto con gli elettroni emessi dal catodo perdono i propri elettroni. La scoperta di
questi ioni positivi, messa accanto a quella degli elettroni e alla nota neutralità degli atomi, convalidò e rinforzò una
vecchia ipotesi secondo cui negli atomi doveva esistere un altro tipo di particella subatomica avente una carica
elettrica di valore uguale ma contraria come segno a quella posseduta dagli elettroni.
Il protone
All'inizio di questo secolo furono messe a punto speciali apparecchiature che permisero di ricavare la massa degli ioni
positivi. Particolari studi furono eseguiti sugli ioni idrogeno (H + ) perché questo elemento ha gli atomi più piccoli di
tutti gli altri elementi (1,7 * 10 -24 g). I risultati sperimentali rilevarono che entro i limiti della precisione delle misure
la massa dello ione H + era quasi uguale alla massa dell'atomo di idrogeno. Questo fatto, supportato dalla
considerazione che uno ione H + è un atomo di idrogeno privato di un elettrone, permise di pensare che anche la
rimanente parte fosse costituita da una sola particella. A questa particella venne dato il nome di protone; ad essa fu
assegnata, come massa, il valore di 1,67 * 10 -24 g ossia 1836 volte quella dell'elettrone. L'idea che in tutti gli atomi
fossero presenti protoni ed elettroni in egual numero fu da tutti accettata perché bene interpretava la neutralità degli
atomi, la formazione degli ioni e il fenomeno dell'elettrizzazione.